Desarrollo, prueba e integracion de un mejor y
mas realıstico modulo para la biosfera
terrestre del modelo “DCESS Earth System”
Nelson Albarran Arriagada
Trabajo de graduacion presentado a la Facultad de
Ciencia, en cumplimiento parcial de los requisitos exigidos
para optar al grado de Ingeniero Fısico
Profesor guıa: Dr. Gary Shaffer
Profesor patrocinante: Dra. Yolanda Vargas
SANTIAGO-CHILE
2015
Desarrollo, prueba e integracion de un mejor y
mas realıstico modulo para la biosfera
terrestre del modelo “DCESS Earth System”
Nelson Albarran Arriagada
Este trabajo de graduacion fue preparado bajo la supervision del
profesor guıa Dr. Gary Shaffer del Centro de Estudios Avanzados en
Zonas Aridas (CEAZA) y ha sido aprobado por los miembros de la
Comision Calificadora del candidato.
——————————————Dr. Raul R. Cordero
——————————————Dr. Patricio Perez Jara
——————————————Dra. Yolanda Vargas Hernandez
——————————————Profesor Guıa
—————————————————Dra. Yolanda Vargas Hernandez
DIRECTORA
Dedicado a mi familia y
a todos aquellos que hacen
de mi vida una alegrıa.
I
Agradecimientos
Agradezco a todos aquellos que de alguna u otra manera se involucraron y fueron
parte de este proyecto. En primera instancia agradezco a mis padres Marıa Jesus Arria-
gada y Jose Octavio Albarran, por su gran apoyo y confianza en mi. A mi hermano
Francisco Albarran, con quien sostuve profundas discusiones que ayudaron a madurar
este trabajo. Y a Natalia Tapia, por su apoyo y carino.
En lo academico, quisiera agradecer y mi tutor, el Profesor Gary Shaffer, quien me
guio y enseno el mundo de las simulaciones del clima a gran escala. Y a la Profesora
Yolanda Vargas, quien me apoyo y patrocino en mi proyecto de tesis.
II
Resumen
El clima de la Tierra depende principalmente de la concentracion de gases de inver-
nadero, tales como CO2 y CH4, presentes naturalmente en el planeta. La biosfera es
uno de los principales gestores de estos gases y dependiendo de las condiciones climati-
cas, la distribucion de la vegetacion puede inducir a la biosfera a ser un sumidero o
fuente de CO2. A su vez, los avances y retrocesos de hielos, capturan o liberan carbono
produciendo flujos interesantes.
En esta tesis se trabajara en el desarrollo, prueba e integracion de un mas realıstico
modulo biosfera terrestre para el modelo Danish Center for Earth System Science [9]
(DCESS). Para ello se particionara la vegetacion en tres zonas, dominadas por ecosiste-
mas Tropical, Desiertos-Pastizales y Extra Tropical, se definira la variacion climatica de
los bordes zonales, y se integrara a la dinamica general de Carbono del Modelo DCESS.
Junto con lo anterior se modelara el flujo de carbono referente al movimiento de hielo
y extension de permafrost. Finalmente, se realizaran simulaciones comparativas entre
la nueva biosfera y la original, analizando el comportamiento de la biomasa para esce-
narios de calentamiento y enfriamiento, encontrando que los resultados obtenidos por
el nuevo modelo son mas consistentes con la literatura frente al modelo original.
III
Indice general
Agradecimientos II
Resumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
Lista de figuras VI
Lista de tablas XII
1. Introduccion 1
1.1. Produccion Primaria Neta, NPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2. El concepto Bioma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.1. Bosque Tropical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.2. Desiertos y Pastizales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.3. Bosque Extratropical . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3. Componentes Climaticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1. Gases de Invernadero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.2. Ciclo del Carbono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4. Modelo DCESS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.1. Geometrıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.2. Modulo Biosfera Original . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
IV
2. Desarrollo 18
2.1. Particion de Biosfera: Biomas Dominantes . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2. Definicion de Bordes Dinamicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3. Ecuaciones de interaccion entre reservorios . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4. Ecuaciones de intercambio de carbono Biosfera-Atmosfera . . . . . . . 28
2.5. Carbono Atrapado: Permafrost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3. Evaluacion y Analisis 33
3.1. Evaluacion general: Modulo Original vs Nuevo Modulo . . . . . . . . . 34
3.1.1. Evolucion de la temperatura y concentracion de CO2 . . . . . . 34
3.1.2. Evolucion de los bordes zonales . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.3. Evolucion de la Biomasa Terrestre . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2. Calentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3. Enfriamiento: Ultimo Maximo Glaciar, LGM . . . . . . . . . . . . . . . 41
4. Conclusiones 44
A. Codigo Modulo Biosfera Nuevo 46
B. Modelo LPJ-DGVM 55
V
Indice de figuras
1.1. Distribucion global de la Produccion Primaria Neta [6] . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Los biomas del mundo. Los biomas dependen principalmente de la temperatura zo-
nal y la precipitacion. Forseth, I. (2010) Terrestre Biomas. Naturaleza Educacion
Conocimiento 3 (10): 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3. Los biomas del mundo. Los biomas son regiones de clima similar y tipos de plantas
dominantes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
VI
1.4. Vista general de los principales flujos de carbono de un ecosistema. El carbono entra
en el sistema mediante de la produccion primaria bruta GPP, a traves de la fotosıntesis
de las plantas. Las partes aereas de las plantas retornan casi la mitad de este carbono
en forma de respiracion, Rplant. La produccion primaria neta NPP, es la diferencia
entre la ganancia por GPP y la perdida por Rplant. La mayorıa de la NPP se transfiere
a la materia organica del suelo. Los animales tambien transfieren algo de carbono al
suelo a traves de la excrecion y la muerte. La mayorıa del carbono que entra en el
suelo se pierde a traves de la respiracion microbiana (junto con la respiracion animal
es llamada respiracion heterotrofica, Rhet). La produccion neta del ecosistema es el
balance entre GPP y la respiracion heterotrofica mas la respiracion de las plantas. El
suelo pierde carbono adicional a traves de la lixiviacion, Fleach. El balance neto del
ecosistema es el carbono neto acumulado por un ecosistema; es igual a la entrada de
carbono desde GPP menos las perdidas de carbono (respiracion, lixiviacion, etc). . 11
1.5. Esquema representativo del modelo DCESS [9]. En el que se muestra las interacciones
entre los distintos modulos y los factores externos. . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6. Geometrıa estandar de modelo DCESS [9]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1. Division de la tierra en tres zonas de vegetacion dominante, cada zona posee una
produccion primaria, NPP y distribucion de biomasa almacenada caracterıstica. Por
simplicidad solo se muestra la division en el hemisferio norte, un tratamiento similar
recibio el hemisferio sur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
VII
2.2. Division de la Tierra en tres nuevas zonas de vegetacion dominante. El lımite Limite
Tropical-Desiertos Pastizales es representada por una lınea roja discontinua, mientras
que el lımite Desiertos Pastizales-Extratropical se representa mediante una lınea azul
discontinua, por ultimo la linea verde (temperatura promedio anual igual a 0◦C)
define el lımite Extra Tropical- Polar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3. Distribucion latitudinal de la vegetacion en funcion de la desviacion de la temperatura
local[4]. Se ha marcado con cruces roja y azules los bordes promedio entre las zonas
Tropical, Desierto-Pastizales y Extra Tropical respectivamente. . . . . . . . . . . 23
2.4. En lınea continua roja: ploteo de la funcion caracterıstica para el borde Tropical-
Desierto Pastizales. Cırculos rojos: Datos extraıdos de la simulacion LPJ para el
mismo borde. En lınea continua azul: funcion caracterıstica para el borde Desiertos
Pastizales-Extra Tropical. Cırculos azules: Datos extraıdos de la simulacion LPJ para
el borde anterior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5. Esquema representativo de los ciclos de glaciacion y deshielo. Las flechas indican la
direccion de los flujos de carbono tierra-atmosfera. El color marron rojizo representa el
carbono en el suelo, arboles verdes representan carbono en la vegetacion. En periodos
de crecidas de los hielos y permafrost, estos atrapan carbono (sumidero), cuando el
hielo y permafrost retrocede, el carbono es descompuesto y liberado (fuente). . . . 30
VIII
3.1. Curvas de concentracion de CO2 funcion del tiempo, desde 1765 (Pre-industrial). En
rojo se presenta los resultados del modulo biosfera original, usando un factor de fer-
tilizacion de CO2 original igual a 0, 37[9]. En negro los resultados del mismo modulo
original pero con un factor de fertilizacion igual a 0, 65 (valor adoptado recientamente;
[16]. En azul los resultados del modulo con la distribucion de vegetacion implemen-
tada. Finalmente, en verde los resultados del modulo con distribucion de vegetacion
y hielo/permafrost. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2. Curvas evolucion temporal de la desviacion de temperatura global atmosferica, desde
1765 (Pre-industrial) y forzado antropogenico A2. En rojo se presenta los resultados
del modulo biosfera original, usando un factor de fertilizacion de CO2 igual a 0, 65.
En negro los resultados del mismo modulo original pero con un factor de fertilizacion
igual a 0, 37. En azul los resultados del modulo con la distribucion de vegetacion
implementada. Finalmente, en verde los resultados del modulo con distribucion de
vegetacion y hielo/permafrost. Notese que las curvas negro, azul y verde son muy
semejantes y no se nota la diferencias en la figura. . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3. Seguimiento temporal de los bordes latitudinales y area disponible para vegetacion .
Izquierda: En negro se muestra el borde entre Bosque Extratropical-Permafrost (snow
line). En azul se muestra el borde entre Desiertos-Pastizales y Bosque Extra tropical.
En rojo el borde correspondiente a Bosque Tropical y Desierto-Pastizales. Derecha:
Azul, superficie ocupada por los bosques tropicales. Negro, superficie ocupada por los
bosques Extra-Tropicales. Rojo, superficie ocupada por los Desiertos-Pastizales. . . 37
IX
3.4. Curvas de Biomasa total en funcion del tiempo, desde 1765 (Pre-industrial). En rojo se
presenta los resultados del modulo biosfera original, usando un factor de fertilizacion
de CO2 igual a 0,65. En negro los resultados del mismo modulo original pero con un
factor de fertilizacion igual a 0, 37 (valor adoptado finalmente). En azul los resultados
del modulo con la distribucion de vegetacion implementada. Finalmente, en verde los
resultados del modulo con distribucion de vegetacion y hielo/permafrost. . . . . . 38
3.5. Biomasa total (hojas, madera, litter y suelo) en funcion del tiempo para cada zona en
la biosfera. Azul: Bosque Extra Tropical. Negro: Desiertos-Pastizales. Rojo: Bosque
Tropical. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6. Biomasa total (hojas, madera, litter y suelo) en funcion del tiempo hasta alcanzar
el estado estacionario. Negro continuo: Resultados del modelo con la nueva biosfera
implementada. Negro discontinuo: resultados para el modelo original. . . . . . . . 41
3.7. Biomasa total (hojas, madera, litter y suelo), para simulacion bajo un escenario de
enfriamiento. La simulacion fue realizada hasta alcanzar el estado estacionario. Negro
continuo: Nuevabiosfera implementada. Negro discontinuo: biosfera original. . . . . 42
3.8. (a) Intercomparacion del incremento relativo porcentual de biomasa respecto del valor
pre-industrial, entre resultados del modelo original (antigua biosfera), el nuevo modelo
(nueva biosfera) y LPJ-Gerber et al., 2004 [4] tanto para el calentamiento como
enfriamiento. (b)Intercomparacion de incrementos relativos porcentuales de biomasa
entre reservorios respecto del valor pre-industrial, entre resultados del modelo original,
modelo nuevo y LPJ-Gerber et al., 2004 [4] para un enfriamiento. . . . . . . . . . 43
X
4.1. A: Concentracion de CO2 para el modelo con la nueva biosfera (verde) y con la
biosfera original con fertilizacion 0,37 (rojo). B: Desviacion de temperatura global,
para el modelo con la nueva biosfera (verde) y con la biosfera original con fertilizacion
0,37 (rojo). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
B.1. Cada celda de la cuadrıcula en las simulaciones LPJ puede constar de tipos de uso de
la tierra individual o un mosaico de fracciones variables de diferentes tierras agrıcolas
y la vegetacion natural. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
XI
Indice de cuadros
1.1. Distribucion pre-industrial de la produccion primaria neta NPP y la biomasa alma-
cenada en los reservorios de hojas, madera, litter y suelo [9]. . . . . . . . . . . . 14
2.1. Distribucion de valores pre-industrial de reservorios de biomasa y NPP para el nuevo
Modulo Biosfera. [5, 7, 14, 15]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2. Set de datos correspondientes a los bordes Tropical-Desiertos Pastizales y Desiertos
Pastizales-E. Tropical en funcion de la desviacion de temperatura global. . . . . . 24
XII
Capıtulo 1
Introduccion
A traves de la historia de la Tierra, esta ha tenido una compleja evolucion, en par-
ticular su clima. El clima de la Tierra depende fundamentalmente de la composicion de
la atmosfera, y en particular sobre la concentracion en ella de gases de efecto inverna-
dero que aumentan la cantidad de calor del sol que se retiene. Los dos mas importantes
son el dioxido de carbono (CO2) y el metano (CH4). Ambos gases estan presentes
naturalmente en la atmosfera como parte del ciclo de carbono, pero su concentracion
se ha incrementado en gran medida por las actividades humanas, en particular por la
industrializacion.
En la actualidad, los diferentes tipos de vegetacion se adaptan al clima; en conse-
cuencia, los tipos de vegetacion tambien cambian, decayendo en lugares donde el clima
se vuelve demasiado estresante, y prosperando cuando el clima se vuelve favorable. A
medida que la Tierra varıa su temperatura por los cambios en las concentraciones de los
gases de efecto invernadero, la redistribucion de la vegetacion puede inducir a la biosfera
terrestre a ser, ya sea una fuente de CO2 adicional (acelerando el calentamiento) o un
sumidero de CO2 (amortiguando el calentamiento).
1
La implementacion de una mejora al modelo DCESS 1 que contemple la redistri-
bucion de la vegetacion, y sus efectos en los flujos de carbono entre la biosfera y la
atmosfera son de suma importancia y un problema ingenieril interesante de abordar.
En esta tesis se presentan, en primera instancia algunos conceptos claves entorno a la
interaccion biosfera-atmosfera junto con una descripcion del modulo biosfera original,
posteriormente se describe la metodologıa para la implementacion del nuevo modulo
biosfera y la evaluacion junto con la validacion de estas mejoras.
1.1. Produccion Primaria Neta, NPP
Cuando se habla de produccion de un ecosistema se hace referencia a la cantidad de
energıa que ese ecosistema es capaz de aprovechar. Una pradera humeda y templada, por
ejemplo, es capaz de convertir mas energıa luminosa en biomasa que un desierto y, por
tanto, su produccion es mayor. La produccion primaria bruta (GPP) de un ecosistema es
la energıa total fijada mediante fotosıntesis por las plantas. La produccion primaria neta
(NPP) es la energıa fijada por fotosıntesis menos la energıa empleada en la respiracion,
es decir la produccion primaria bruta menos la respiracion.
NPP = GPP–Rplant
Cuando la NPP es positiva, la biomasa de las plantas del ecosistema va aumentando.
Es lo que sucede, por ejemplo, en un bosque joven en el que los arboles van creciendo
1Existen modelos computacionales que permiten realizar estudios biogeoquımicos de la tierra, uno
de ellos es el modelo DCESS [9], modelo global del Sistema Tierra de baja complejidad y resolucion
espacial, este cuenta con los modulos de atmosfera, oceano, sedimento oceanico, biosfera terrestre y
litosfera.
2
y aumentando su numero. Cuando el bosque ha envejecido, sigue haciendo fotosıntesis
pero toda la energıa que recoge la emplea en la respiracion, la produccion neta se
hace cero y la masa de vegetales del bosque ya no aumenta. La productividad de la
biosfera esta concentrada en areas sometidas a rapidos cambios en el uso del suelo. Los
bosques tropicales humedos, por ejemplo, ocupan el 12% de la superficie terrestre,
pero representa un tercio de la produccion primaria terrestre (ver Figura 1.1). La NPP
ası como GPP son medidas en intervalos de tiempo largos, generalmente anos. Ası una
manera usual de medida de NPP seria gramos de biomasa o de carbono por metro
cuadrado y por ano, es decir, [gC/m2y] o [KgC/m2y].
Figura 1.1: Distribucion global de la Produccion Primaria Neta [6]
1.2. El concepto Bioma
Diferencias de temperatura y precipitacion determinan los tipos de plantas que cre-
cen en un area dada (ver Figura 1.2). En terminos generales, la altura, densidad y
diversidad de especies disminuye de climas calidos y humedos a climas frıos y secos.
3
Regiones con tipos de clima y de vegetacion dominante similares se llaman biomas.
Hay diferentes sistemas para la clasificacion de biomas, que en general suelen dividir la
tierra en dos grandes grupos (biomas terrestres y biomas acuaticos), con un numero no
demasiado grande de biomas. A escala planetaria y en funcion de la produccion prima-
ria neta para este trabajo se distinguen tres grupos de biomas dominantes; el bosque
tropical, los pastizales junto con los desiertos, y los bosques extra tropicales (bosques
boreales y templados). Estos son los grandes biomas que caracterizan la biosfera y que
tienen un reparto zonal, es decir, que no superan ciertos valores latitudinales.
Figura 1.2: Los biomas del mundo. Los biomas dependen principalmente de la temperatura zonal y
la precipitacion. Forseth, I. (2010) Terrestre Biomas. Naturaleza Educacion Conocimiento 3 (10): 11
1.2.1. Bosque Tropical
Los bosques tropicales se encuentran en areas centradas en el ecuador (ver Figura
1.3). America Central y del Sur posee la mitad de los bosques tropicales del mundo. El
clima en estos biomas muestra poca variacion estacional, con alta precipitacion anual y
4
relativamente constantes temperaturas calidas. Las plantas dominantes son fanerofitos
(arboles, lianas y epıfitas). Los bosques tropicales tienen una capa emergente de altos
arboles de mas de 40[m] de altura, un dosel de arboles de hasta 30[m] de altura, una
capa de sub-dosel de arboles y arbustos altos, y una capa de tierra de la vegetacion
herbacea. Los bosques tropicales tienen la mayor biodiversidad y productividad primaria
de cualquiera de los biomas terrestres. La productividad primaria neta oscila entre
2−3[kg/m2y] o superior. La alta productividad se mantiene a pesar de los suelos pobres
en nutrientes debido a una alta tasa de descomposicion, favorecidas por las condiciones
de humedad y temperatura. La rapida descomposicion provoca que la mayor parte de la
biomasa se mantenga sobre el suelo, una cantidad mınima queda enterrada. Se estima
que el bioma de bosques tropicales contiene mas de la mitad de las especies terrestres
de la Tierra.
5
Figura 1.3: Los biomas del mundo. Los biomas son regiones de clima similar y tipos de plantas
dominantes.
1.2.2. Desiertos y Pastizales
Los desiertos generalmente aparecen en una banda en todo el mundo entre los 15 a
30 grados N y S de latitud. Ellos cubren entre el 26 a 35% de la superficie terrestre de
la Tierra. El clima de los desiertos es dominado por una baja precipitacion. La biomasa
vegetal dominante en la mayorıa de los desiertos se compone de arbustos perennes con
raıces extensas y pequenas, grises o blancas hojas. En los desiertos las semillas pueden
permanecer viables en el suelo durante varios anos, hasta que se produzcan las condi-
ciones de precipitacion y temperatura adecuadas, tras lo cual puden germinar. Estas
plantas anuales crecen rapidamente, completando su ciclo de vida en un par de sema-
nas, a continuacion, la floracion y el establecimiento de la semilla antes de las reservas
de agua del suelo se agotan. Con la excepcion de las grandes floraciones de plantas
anuales, la productividad primaria neta en la mayorıa de los desiertos es baja y muy
variable. Existe una relacion positiva entre la productividad y la precipitacion, y los
valores pueden variar desde cerca de 0 a 120[g/m2y]. Al igual que con las sabanas, la
productividad varıa con la profundidad del suelo y de los patrones de drenaje locales.
Biomas de pastizales se producen principalmente en el interior de los continentes (ver
Figura 1.3) y se caracterizan por grandes variaciones de temperatura estacionales, con
veranos calurosos e inviernos frıos. Las precipitaciones varıan, con un peak fuerte en
verano. El tipo de comunidad de pastizales que se desarrolla, y la productividad de los
pastizales, depende en gran medida de la precipitacion. Precipitacion superior conduce
a altas hierbas en las praderas, con una alta biodiversidad de gramıneas y herbaceas.
6
Baja precipitacion conduce a praderas de hierba corta y pastizales aridos. Producti-
vidad primaria neta en pastizales secos puede ser 400[g/m2y], mientras que, con alta
precipitacion puede llegar a una produccion de hasta 1[Kg/m2y].
1.2.3. Bosque Extratropical
Como bosque Extra Tropical, nos referimos al conjunto de Bosques Templados y
Boreales, en esta tesis estos dos biomas, son agrupados como uno solo mas grande,
llamado Extra Tropical.
El bosque Boreal situado en latitudes mas altas (ver Figura 1.3), es un bioma domi-
nado por hojas de aguja, tolerantes a las sequıas, arboles de hoja perenne, y un clima
que consta de inviernos largos y frıos y veranos frescos cortos. La biodiversidad es baja
en este bosque de dos capas compuesto por un dosel de arboles y una capa de tierra de
hierbas o musgos. El dosel en gran parte del bosque extra tropical se compone de solo
una o dos especies. La escasa biodiversidad se refleja en la baja productividad primaria
neta de 200 a 600[g/m2y]. Productividad varıa con la precipitacion, la duracion del
perıodo libre de heladas, y el drenaje del suelo local. Las bajas temperaturas conducen
a retrasar la descomposicion y acumulando una gran cantidad de biomasa. Hasta un
60% de la biomasa puede quedar almacenada en el suelo.
Por otro lado, los bosques templados se encuentran en latitudes medias , donde se
producen inviernos frıos, veranos calidos y altas precipitaciones media anual.Este tipo
de bosque se compone de arboles caducifolios que pierden sus hojas todos los anos
debido a la temporada invernal frıa y seca y se renuevan para la temporada calida y
lluviosa propia del clima continental humedo, como es el caso de los bosques de robles,
arces, hayas y olmos. La productividad primaria neta oscila entre 600 y 1500 [g/m2y]
7
con alta produccion de litter (desechos). El litter sirve como una vıa importante para
el reciclaje de nutrientes.
1.3. Componentes Climaticos
A continuacion se describen los componentes climaticos involucrados en el clima a
gran escala utilizados en esta tesis.
1.3.1. Gases de Invernadero
Dentro de la composicion atmosferica, existen alrededor de 20 gases, pero solo unos
pocos de ellos tienen un efecto radiativo importante en lo que a modificacion climatica
respecta.
Dentro de estos gases, los principales constituyentes atmosfericos (naturales2) que
poseen un alto impacto climatico son el dioxido de carbono (CO2), metano (CH4),
oxido nitroso (N2O) y vapor de agua.
- Dioxido de Carbono: Este gas es uno de los mas importantes dentro de los nom-
brados anteriormente, si bien su impacto radiativo no es tan alto, su presencia en la
atmosfera es muy alta, en donde su ciclo abarca los reservorios en el oceano, atmosfera
y el suelo terrestre. El CO2 es un gas proveniente de la quema de carbono, y es por ello
que la mayor presencia de carbono en la atmosfera es en forma de este gas. El inter-
cambio de carbono entre el oceano y la atmosfera es relativamente rapido, por tanto el
tiempo de renovacion o recambio de este gas es entre 4 a 12 anos [2], sin embargo, el
2Se exceptuan los gases de tipo halocarbonos, tales como clorofluorocarbonos (CFCs), si bien su
potencial invernadero es enorme, su origen es exclusivamente antropogenico.
8
tiempo requerido para el cual este constituyente atmosferico alcance un nuevo estado
de equilibrio en respuesta a una perturbacion es mucho mayor, del orden de los miles
de anos por varios procesos lentos como carbonate composition y weathering.
Las moleculas de este gas son transparentes a la radiacion solar de onda corta, y por
el contrario, son fuertes absorbedoras de radiacion de onda larga (infrarroja) procedente
de la superficie terrestre (Peixoto y Oort, 1992), esto esta directamente relacionado al
tamano de la molecula y la longitud de onda que la incide.
- Metano: Este gas entra a la atmosfera mayoritariamente mediante ambientes
anaerobicos, tales como, humedales, plantaciones de arroz y descomposicion de materia
organica, si bien su impacto radiativo es un poco mayor que el dioxido de carbono,
su concentracion en la atmosfera es en menor cantidad, es por ello que su medicion
se realiza en partes por billon (ppb) en vez de partes por millon (ppm) y ademas su
tiempo de vida en la atmosfera es de alrededor de 9-12 anos [2].
- Oxido Nitroso: Si bien su concentracion atmosferica es pequena, su potencial inver-
nadero esta muy por encima que incluso el metano. Este gas es producido por fuentes
biologicas en el suelo y agua y destruido en la estratosfera. A diferencia del Metano, el
tiempo de vida en la atmosfera del N2O es alrededor de 114 anos [2].
- Vapor de agua: Es el mayor gas de efecto invernadero, este se condensa para formar
nubes e influye directamente en la cantidad de radiacion solar reflejada y radiacion
infrarroja absorbida. El vapor de agua junto con las nubes proporcionan al rededor del
80% del efecto invernadero de estas decadas (Hartmann, 1994). La fuente y sumidero
de este gas corresponden a la evaporacion y condensacion respectivamente. Debido a
esto ultimo, su tiempo de vida es muy corto, que puede variar entre dıas y semanas.
9
1.3.2. Ciclo del Carbono
El ciclo del carbono, es el ciclo biogeoquımico por el cual de carbono se intercambia
entre la biosfera, pedosfera, geosfera, hidrosfera y atmosfera terrestre. El ciclo del car-
bono comprende una secuencia de eventos que son clave para hacer a la Tierra capaz
de sostener la vida; se describe el movimiento del carbono a medida que se recicla y se
reutiliza en toda la biosfera.
La biosfera terrestre incluye el carbono organico en todos los organismos vivos de la
tierra, tanto vivos como muertos, ası como el carbono almacenado en los suelos. Cerca de
500 gigatoneladas de carbono se almacenan en la superficie (plantas y otros organismos
vivos), mientras que el suelo posee aproximadamente 1.500 gigatoneladas de carbono.
La mayor parte de carbono en la biosfera terrestre es el carbono organico, mientras que
alrededor de un tercio del carbono del suelo se almacena en formas inorganicas, tales
como carbonato de calcio. El carbono organico es un componente principal de todos los
organismos vivos en la tierra. Los autotrofos extraen el carbono del aire en forma de
dioxido de carbono y lo convierten en carbono organico, mientras que los heterotrofos
reciben de carbono al consumir otros organismos.
La biosfera pierde carbono de varias maneras y en diferentes escalas de tiempo. La
combustion o la respiracion liberan rapidamente carbono en la atmosfera. Tambien se
puede transferir a los oceanos a traves de rıos o permanecer almacenado en los suelos
en forma de carbono inerte. El carbono almacenado en el suelo puede permanecer
allı durante miles de anos hasta de que sea vertido a los rıos por medio de la erosion o
liberado a la atmosfera a traves de la respiracion del suelo. En la figura 1.4 se representan
los principales intercambios de carbono entre la biosfera y la atmosfera terrestre.
10
Figura 1.4: Vista general de los principales flujos de carbono de un ecosistema. El carbono entra en
el sistema mediante de la produccion primaria bruta GPP, a traves de la fotosıntesis de las plantas.
Las partes aereas de las plantas retornan casi la mitad de este carbono en forma de respiracion,
Rplant. La produccion primaria neta NPP, es la diferencia entre la ganancia por GPP y la perdida
por Rplant. La mayorıa de la NPP se transfiere a la materia organica del suelo. Los animales tambien
transfieren algo de carbono al suelo a traves de la excrecion y la muerte. La mayorıa del carbono que
entra en el suelo se pierde a traves de la respiracion microbiana (junto con la respiracion animal es
llamada respiracion heterotrofica, Rhet). La produccion neta del ecosistema es el balance entre GPP
y la respiracion heterotrofica mas la respiracion de las plantas. El suelo pierde carbono adicional a
11
traves de la lixiviacion, Fleach. El balance neto del ecosistema es el carbono neto acumulado por un
ecosistema; es igual a la entrada de carbono desde GPP menos las perdidas de carbono (respiracion,
lixiviacion, etc).
1.4. Modelo DCESS
El modelo Danish Center for Earth System Science (DCESS) es un modelo global del
Sistema Tierra de baja complejidad y resolucion espacial, este cuenta con los modulos de
atmosfera, oceano, sedimento oceanico, biosfera terrestre y litosfera [9] que se relacionan
entre si, ver figura 1.5. Debido a que en esta tesis el objetivo principal es el desarrollo de
un modulo mas realıstico para la biosfera terrestre, es que se realiza solo la descripcion de
este modulo. Para una mayor informacion referente a los otros modulos, se recomienda
consultar [9].
Figura 1.5: Esquema representativo del modelo DCESS [9]. En el que se muestra las interacciones
entre los distintos modulos y los factores externos.
12
1.4.1. Geometrıa
La geometrıa corresponde a un hemisferio de 360◦ de ancho y dos zonas latitudinales
(bajas-medias y altas latitudes) dividida en la lınea de 52◦. El modulo de oceano es de
270◦ de ancho y se extiende desde el ecuador hasta 70◦ de latitud (ver Figura 1.6). De
esta forma, el oceano cubre el 70.5% de la superficie terrestre.
Figura 1.6: Geometrıa estandar de modelo DCESS [9].
1.4.2. Modulo Biosfera Original
El modulo biosfera considera reservorios de isotopo de carbono de hojas(MG), ma-
dera(MG), litter(MD) y suelo (MS). La produccion primaria neta en la tierra, NPP,
usa el CO2 de la atmosfera y depende de la concentracion de CO2, pCO2 segun
NPP = NPPPI(1 + FCO2 ln(pCO2/pCO2,P I)) (1.1)
donde NPPPI es el nivel preindustrial de NPP y FCO2 es el factor de fertilizacion
por CO2. En la configuracion original el factor de fertilizacion de CO2 fue tomado
13
como 0,65, basado en los resultados de una intercomparacion de modelos de biosfera
terrestre mas complejos [3] y este valor fue usado en las publicaciones iniciales del
modelo. Sin embargo un re analisis de esto se llevo a cabo en el marco de una serie de
posteriores intercomparasiones que incluyeron los modelos ([16]) y se encontro que un
factor menor, 0,37 es una mejor aproximacion de la biosfera terrestre. Este valor fue
usado en los papers de intercalibracion EMIC y ha sido adoptado desde entonces. No
se encontro consenso en los modelos para la dependencia de la temperatura [3], solo
encontro una muy baja dependencia en 5 modelos de la intercomparacion. Sobre esta
base se ha descuidado la dependencia de la temperatura en la ecuacion 1.12. Siguiendo
a [11], la NPP es distribuida entre hojas y madera en una proporcion fija 35:25, todas
las hojas perdidas van al litter, la madera perdida es dividida entre litter y suelo en la
razon fija 20:5, el litter perdido es dividido entre la atmosfera (como CO2) y el suelo
en la razon 45:10. La perdida de suelo entra en la atmosfera como CO2 y, en menor
medida va como CH4. La sepultura organica de la tierra no se considera.
NPP [GtC/y] Hojas [GtC] Madera [GtC] Litter [GtC] Suelo [GtC]
60 100 500 120 1500
Cuadro 1.1: Distribucion pre-industrial de la produccion primaria neta NPP y la biomasa almacenada
en los reservorios de hojas, madera, litter y suelo [9].
Las perdidas en todos los reservorios se toman proporcionales al tamano del re-
servorio y para litter y suelo, tambien dependen de la temperatura media atmosferica
segun
λQ = QTa−Ta,PI/1010 (1.2)
14
donde Q10 es el incremento de la actividad para un incremento de 10 grados de Ta.
Elegimos un valor para Q10 igual a 2, una eleccion tıpica en los modelos de clima-
carbono[3].
Las ecuaciones de conservacion para los reservorios de C12 en la biosfera terrestre
son
dMG/dt = (35/60)NPP − (35/60)(NPPPI)(MG/MG,PI) (1.3)
dMW/dt = (25/60)NPP − (25/60)(NPPPI)(MW/MW,PI) (1.4)
dMD/dt = (25/60)NPP (MG/MG,PI)
+ (20/60)(NPPPI)(MW/MW,PI)
− (55/60)(NPPPI)λQ(MD/MD,PI)
(1.5)
dMS/dt = (5/60)NPP (MW/MW,PI)
+ (10/60)(NPPPI)λQ(MD/MD,PI)
− (15/60)(NPPPI)λQ(MS/MS,P I)
(1.6)
Las ecuaciones de conservacion para los reservorios de C13 en la biosfera terrestre son
d13MG/dt =13 αL(p
13CO2/pCO2)(35/60)NPP
− (35/60)(NPPPI)(13MG/MG,PI)
(1.7)
d13MW/dt =13 αL(p13CO2/pCO2)(25/60)NPP
− (25/60)(NPPPI)(13MW/MW,PI)
(1.8)
15
d13MD/dt = (35/60)(NPPPI)(13MG/MG,PI)
+ (20/60)(NPPPI)(13MW/MW,PI)
+ (55/60)(NPPPI)λQ(13MD/MD,PI)
(1.9)
d13MS/dt = (5/60)(NPPPI)(13MW/MW,PI) + (10/60)(NPPPI)λQ(
13MD/MD,PI)
− (15/60)(NPPPI)− (1−13 αM)λCH4,P IpCH4PIλQ(13MS/MS,P I)
(1.10)
donde 13αL es el factor de fraccion de 13C de la fotosıntesis terrestre, tomado como
0,9819. Esto corresponde al 1,81% fraccion lo que refleja una dominacion de C3 sobre
la productividad de plantas C4 y unos valores de δ13C de la biosfera terrestre alrededor
de 2,5% (Joos y Bruno, 1998). El intercambio de carbono en forma de CO2 entre la
atmosfera y la biosfera, depende del tamano y la variacion de los reservorios asociados
a litter y suelo. La ecuacion que relaciona lo mencionado anteriormente, se presenta a
continuacion.
UCO2=
(
−NPP +
(
45
55
)
∆L ∗ L+∆S ∗ S
)
(1.11)
donde ∆L y ∆S son las variaciones en los reservorios litter y suelo respectivamente,
calculadas en las ecuaciones 1.3, 1.4, 1.5 y 1.6. Mientras que L y S son los tamanos de
dichos reservorios.
El intercambio Biosfera/atmosfera de carbono en forma de metano queda represen-
tado por
UCH4= LBMP (1.12)
16
donde LBMP es la produccion de metano de la biosfera terrestre dependiente de Q10
y la temperatura. Explıcitamente dicha produccion tiene la siguiente forma
LBMP = LBMP0S
SPIQ(Ta−Ta,PI)/1010
(1.13)
Donde S es el reservorio de suelo, y el sub-ındice PI hace referencia al valor pre-
industrial.
17
Capıtulo 2
Desarrollo
El clima terrestre depende fundamentalmente de la concentracion de gases de inver-
nadero, tales como el CO2 y el CH4, gases de presencia natural en la atmosfera como
parte del ciclo del carbono. La biosfera terrestre es uno de los principales gestores de
estos gases. A medida que las condiciones climaticas cambian, la redistribucion de la
vegetacion puede influenciar a la biosfera a ser una fuente adicional o un sumidero de
CO2, induciendo al clima a un calentamiento o enfriamiento respectivamente. Es por
esto, que es de especial importancia la modificacion del modulo biosfera original e intro-
ducir los efectos de la redistribucion de la vegetacion. En este capıtulo se describen los
metodos para el desarrollo e implementacion de la dinamica de Bioma (redistribucion
de la vegetacion) y sus efectos en el clima global.
2.1. Particion de Biosfera: Biomas Dominantes
Para la definicion de los biomas dominantes a nivel planetario, se uso como criterio
principal la produccion primaria neta y la biomasa almacenada. Cuando hablamos de
18
criterio de biomasa almacenada y NPP, nos referimos a que observando los datos de
distribucion global de la NPP, esta sugiere una division latitudinal, permitiendo definir
tres zonas con limites latitudinales (ver Figura 2.1); la primera zona dominada por el
bosque tropical, la segunda mayoritariamente por desiertos y pastizales, y por ultimo
la zona correspondiente a los bosques extra tropicales (Taiga o bosque boreal y bosques
templados).
Figura 2.1: Division de la tierra en tres zonas de vegetacion dominante, cada zona posee una pro-
duccion primaria, NPP y distribucion de biomasa almacenada caracterıstica. Por simplicidad solo se
muestra la division en el hemisferio norte, un tratamiento similar recibio el hemisferio sur.
Cada una de estas zonas, como se dijo anteriormente posee una produccion primaria
neta y biomasa almacenada caracterıstica. El cuadro 2.1 muestra la distribucion de los
reservorios de biomasa y la NPP fuera de perturbacion, es decir, valores pre-industrial
medidos en Giga toneladas de carbono para cada zona.
19
Bosque Tropical Desiertos y Pastizales Bosque Extra Tropical
Hojas [GtC] 15 25 10
Madera [GtC] 135 25 90
Litter [GtC] 8 20 32
Suelo [GtC] 100 250 400
NPP [GTon/yr] 12.5 10 7.5
Cuadro 2.1: Distribucion de valores pre-industrial de reservorios de biomasa y NPP para el nuevo
Modulo Biosfera. [5, 7, 14, 15].
Es importante destacar que los valores de Biomasa almacenada y NPP una vez
hecha la particion, son tales que, en conjunto reproducen los valores pre-industriales
globales antes de la particion (ver caudro 1.1, seccion 1.4.2).
En consecuencia la geometrıa del modelo se ve modificada, ya que aparecen dos
nuevas lıneas que dividen la zona terrestre correspondientes a las transiciones entre
zonas de biomas dominantes(ver Figura 2.2).
20
Figura 2.2: Division de la Tierra en tres nuevas zonas de vegetacion dominante. El lımite Limite
Tropical-Desiertos Pastizales es representada por una lınea roja discontinua, mientras que el lımite
Desiertos Pastizales-Extratropical se representa mediante una lınea azul discontinua, por ultimo la
linea verde (temperatura promedio anual igual a 0◦C) define el lımite Extra Tropical- Polar.
De esta forma, ahora las cuatro ecuaciones de conservacion para los reservorios de C12
vistas en la seccion 1.4.3 se transforman en doce ecuaciones, cuatro para cada nueva
zona definida. Estas ecuaciones pueden ser resumidas usando un ındice i que representa
a la zona que pertenece dicha ecuacion.
dM iG/dt = (35/60)NPP i − (35/60)(NPP i
P I)(MiG/M
iG,P I) (2.1)
dM iW/dt = (25/60)NPP i − (25/60)(NPP i
P I)(MiW/M i
W,PI) (2.2)
dM iD/dt = (25/60)NPP i(M i
G/MiG,P I)
+ (20/60)(NPP iP I)(M
iW/M i
W,PI)
− (55/60)(NPP iP I)λ
iQ(M
iD/M
iD,P I)
(2.3)
dM iS/dt = (5/60)NPP i(M i
W/M iW,PI)
+ (10/60)(NPP iP I)λ
iQ(M
iD/M
iD,P I)
− (15/60)(NPP iP I)λ
iQ(M
iS/M
iS,P I)
(2.4)
donde i = 1, 2, 3, con 1 → Tropical, 2→ Desierto-Pastizales, y 3→ Extra Tropical.
Como se aprecia las ecuaciones mantienen su misma forma, y el cambio en los
reservorios depende netamente del tamano del reservorio y de la produccion de cada
zona, que depende del cambio de area zonal. En el caso de los reservorios MD y MS
21
siguen dependiendo del mismo factor λQ, que esta estrechamente relacionado con la
temperatura media atmosferica zonal. El cambio de area y temperatura media zonal
seran definida mas adelante, junto con la definicion de los bordes dinamicos.
2.2. Definicion de Bordes Dinamicos
Al igual que el clima, los lımites entre estas nuevas zonas de vegetacion no son
estaticos, y varıan segun el clima, y viceversa. En general, como se hablo en el apartado
’concepto de bioma’, estos bordes varıan en funcion de la temperatura y precipitacion,
entre otros factores.
Existen modelos complejos, los llamados modelos de dinamica de vegetacion mundial
(DGVM) que simulan los cambios en la vegetacion potencial y sus ciclos biogeoquımicos
e hidrologicos asociados, como respuesta a los cambios en el clima. Estos modelos in-
cluyen los efectos de una diversidad de factores climaticos, ademas de los ya nombrados
precipitacion y temperatura. En concreto, utilizando el modelo LPJ-DGVM [12, 13] se
obtienen resultados para la redistribucion de la vegetacion en funcion de la desviacion
de temperatura local1 [4]. Valiendonos de estos resultados podemos definir nuestros
bordes en funcion de una unica variable. El trazado de los limites promedios entre las
transiciones de biomas puede ser vista en la figura 2.3.
1En el Apendice B y en [12, 13] se puede encontrar una descripcion breve del modelo LPJ-DGVM.
22
Figura 2.3: Distribucion latitudinal de la vegetacion en funcion de la desviacion de la temperatura
local[4]. Se ha marcado con cruces roja y azules los bordes promedio entre las zonas Tropical, Desierto-
Pastizales y Extra Tropical respectivamente.
Es importante mencionar que si bien hemos definido los bordes en funcion de solo una
variable, debemos recordar que los datos que hemos utilizado para nuestra definicion
han sido calculados usando no solo la temperatura como unica variable, si no que
diversos otros factores climaticos [13, 12] (ver Apendice B). En resumen podemos decir
que la desviacion de temperatura global arrastra consigo los efectos sobre la vegetacion
de todas las otras variables utilizadas por el modelo LPJ. Tambien elijemos la snowline,
definido en el modelo como temperatura promedio cero grados, como borde Extra-
Tropical-Polar.
A partir de este set de datos (valores asociados a las cruces rojas y azules de la figura 2.3
23
DelTemp [◦C] Latitud Tropical Latitud E-Tropical
-10 6.5 33.4
-8 6.6 33.5
-6 7.0 33.8
-4 7.8 34.6
-2 9.6 36.1
0 11.2 37.8
2 13.6 39.6
4 15.5 42.2
6 18.4 44.7
8 17.1 45.5
10 15.5 47
Cuadro 2.2: Set de datos correspondientes a los bordes Tropical-Desiertos Pastizales y Desiertos
Pastizales-E. Tropical en funcion de la desviacion de temperatura global.
24
y explicitados en el cuadro 2.2) podemos definir dos funciones caracterısticas para cada
borde. Se uso interpolacion polinomial ya que los polinomios son funciones facil de ma-
nejar matematicamente hablando2. El grado del polinomio, es el mas bajo que obtenga
una buena correlacion (> 0,95). Finalmente, los datos se ajustan con un polinomio de
grado 5, con coeficientes de correlacion de 0.97 y 0.98 para el borde Tropical-Desierto
Pastizales y Desiertos Pastizales-Extra Tropical respectivamente. Los polinomios con
sus constantes de ajuste respectivas son
FT−DP = −1,803 ∗ 10−5 ∗ δT 5glob − 0,0005809 ∗ δT 4
glob
− 0,005168 ∗ δT 3glob + 0,0497 ∗ δT 2
glob + 1,092 ∗ δTglob + 11,28
(2.5)
donde FT−DP es el borde entre Bosque Tropical y Desiertos-Pastizales, δTglob es la
desviacion de temperatura global.
FDP−B = 1,152 ∗ 10−5 ∗ δT 5glob − 0,0001785 ∗ δT 4
glob
− 0,004557 ∗ δT 3glob + 0,04156 ∗ δT 2
glob + 1,017 ∗ δTglob + 37,77;
(2.6)
donde FDP−B es el borde entre Desiertos-Pastizales y Bosque Extra Tropical, δTglob es
nuevamente la desviacion de temperatura global.
En la figura 2.4 se muestran ploteados los polinomios caracterısticos de cada bordes.
2Al decir a manejabilidad matematica, nos referimos a que poseen tanto integrales como derivadas
analıticas de facil calculo y que a su vez tambien son polinomios.
25
−10 −5 0 5 100
10
20
30
40
50
Latit
ud
Desviación de temperatura Global [°C]
Figura 2.4: En lınea continua roja: ploteo de la funcion caracterıstica para el borde Tropical-Desierto
Pastizales. Cırculos rojos: Datos extraıdos de la simulacion LPJ para el mismo borde. En lınea continua
azul: funcion caracterıstica para el borde Desiertos Pastizales-Extra Tropical. Cırculos azules: Datos
extraıdos de la simulacion LPJ para el borde anterior.
2.3. Ecuaciones de interaccion entre reservorios
Al hacer la particion de la biosfera y definir los bordes dinamicos, que en pocas
palabras definen el area de tierra disponible para que cada tipo de vegetacion crezca,
se deben particionar la ecuaciones correspondiente a la interaccion entre reservorios
descritas en el apartado 1.4.2. De esta manera la ecuacion 1.12 correspondiente a la
produccion primaria se transforma en tres nuevas ecuaciones, una para cada zona y
ademas se introduce en cada una de estas el factor Farea, que representa el cambio
de area correspondiente a cada nueva zona definida. Ası se tiene el siguiente set de
ecuaciones
NPPT = NPPT,P IFTarea(1 + FCO2
ln(pCO2/pCO2,P I)) (2.7)
26
NPPDP = NPPDP,PIFDareaP (1 + FCO2
ln(pCO2/pCO2,P I)) (2.8)
NPPB = NPPB,PIFBarea(1 + FCO2
ln(pCO2/pCO2,P I)) (2.9)
los super ındices en los factores de cambio de area hacen referencia a la zona a la que
pertenecen. Los factores de cambio de area son calculados segun
F Tarea = sin(FT−DP )/ sin(FT−DP,PI)
FDParea = (sin(FDP−B)− sin(FT−DP ))/() sin(FDP−B,PI)− sin(FT−DP,PI))
FBarea = (sin(FS)− sin(FDP−B))/(sin(FS,P I)− sin(FDP−B,PI))
donde FT−DP,PI , FDP−B,PI y la lınea de nieve FS,P I , representan los valores iniciales de
los bordes zonales.
El factor λQ dependiente de la temperatura tambien se ve transformado en tres,
donde cada uno depende de la temperatura media de cada zona segun
λQ,T = QTT−TT,PI
10 (2.10)
λQ,DP = QTDP−TDP,PI
10 (2.11)
λQ,B = QTB−TB,PI
10 (2.12)
donde la temperatura media zonal se calcula siguiendo
TT =
∑FT−DP
i=0 cos(i) ∗ Ta(i)∑FT−DP
i=0 cos(i)
TDP =
∑FDP−B
i=FT−DPcos(i) ∗ Ta(i)
∑FDP−B
i=FT−DPcos(i)
27
TB =
∑FS
i=FDP−Bcos(i) ∗ Ta(i)
∑FS
i=DP−B cos(i)
De esta manera las nuevas ecuaciones 2.1, 2.2, 2.3 y 2.4 correspondientes a la conser-
vacion para los reservorios de C12 quedan completamente definidas.
2.4. Ecuaciones de intercambio de carbono Biosfera-
Atmosfera
Como se explico en el apartado 1.4.2, el intercambio de carbono entre la atmosfera y
la biosfera depende del tamano y la variacion de los reservorios de litter y suelo, ambos
asociados a la descomposicion de la biomasa. Siguiendo esta lınea la ecuacion de flujo
de CO2 entre la atmosfera y la biosfera con la division zonal incluida queda definida
por la contribucion individual de cada zona.
UCO2=
(
−NPPT +
(
45
55
)
∆LT ∗ LT +∆ST ∗ ST
)
+
(
−NPPDS +
(
45
55
)
∆LDS ∗ LDS +∆SDS ∗ SDS
)
+
(
−NPPB +
(
45
55
)
∆LB ∗ LB +∆SB ∗ SB
)
(2.13)
donde ∆L y ∆S son las variaciones en los reservorios Litter y Suelo respectivamente,
mientras que L y S son los tamanos de los mismos reservorios. Los subındices T, DS y
B, nuevamente representan a la zona que pertenecen estos reservorios.
Por otra parte, el intercambio Biosfera/Atmosfera de carbono en forma de metano
queda representado por
UCH4 = LBMPT + LBMPDP + LBMPB (2.14)
28
donde LBMPT , LBMPDS y LBMPB , son la producciones de metano de la biosfera
terrestre dependientes de Q10 y la temperatura. Explıcitamente dichas producciones
tienen la siguiente forma
LBMPT =LBMPPI ∗ ST
(ST,P I + SDS,PI + SB,PI)Q(TT−TT,PI )/1010
(2.15)
LBMPDS =LBMPPI ∗ SDS
(ST,P I + SDS,PI + SB,PI)Q(TDS−TDS,PI)/1010
(2.16)
LBMPB =LBMPPI ∗ SB
(ST,P I + SDS,PI + SB,PI)Q(TB−TB,PI)/1010
(2.17)
donde S son los reservorios de suelo y el subındice T, DS y B, se refieren a la zona
del reservorio mientras que el subındice PI se refiere el valor preindustrial de dicho
reservorio.
2.5. Carbono Atrapado: Permafrost
En los procesos de avance y retroceso de las masa de hielo y existencia de permafrost,
se producen flujos interesantes de carbono. En los periodos de glaciacion (avance de las
masa de hielo) materia organica queda atrapada bajo el hielo, quedando aislada de la
atmosfera. Con el aumento de la temperatura y el posterior deshielo, la masa glacial
retrocede, este carbono atrapado se expone a la atmosfera nuevamente, y posteriormente
se descompone liberandose a la atmosfera, contribuyendo ası al aumento observado de
carbono atmosferico, una representacion esquematica es presentada en la figura 2.5.
29
Figura 2.5: Esquema representativo de los ciclos de glaciacion y deshielo. Las flechas indican la
direccion de los flujos de carbono tierra-atmosfera. El color marron rojizo representa el carbono en
el suelo, arboles verdes representan carbono en la vegetacion. En periodos de crecidas de los hielos y
permafrost, estos atrapan carbono (sumidero), cuando el hielo y permafrost retrocede, el carbono es
descompuesto y liberado (fuente).
Los suelos con carbono atrapado (permafrost) contienen enormes cantidades de car-
bono organico, que podrıan actuar como una respuesta positiva al cambio climatico
global, debido a las tasas de respiracion mejoradas con el calentamiento. Dadas las
cantidades de carbono almacenadas en permafrost (el doble del contenido en toda la
atmosfera), es importante incorporar al nuevo modulo biosfera los flujos de carbono
referentes a los avances y retrocesos de los hielos.
Para modelar lo descrito anteriormente, modificamos la ecuacion 2.13 referente al
intercambio de carbono Biosfera/Atmosfera en forma de CO2, introduciendo el termino
Gperma, el que contiene informacion acerca del carbono que es almacenado o liberado,
segun la masa de hielo y extension de permafrost crece o se reduce. La nueva ecuacion
de intercambio (fuente/sumidero) de carbono queda descrita de la siguiente forma.
30
UCO2=
(
−NPPT +
(
45
55
)
∆LT ∗ LT +∆ST ∗ ST
)
+
(
−NPPDS +
(
45
55
)
∆LDS ∗ LDS +∆SDS ∗ SDS
)
+
(
−NPPB +
(
45
55
)
∆LB ∗ LB +∆SB ∗ SB
)
+Gperma
(2.18)
Donde el nuevo termino Gperma, representa al carbono en forma de CO2 que es almace-
nado (atrapado) o liberado a la atmosfera y depende del cambio de area cubierta por
hielo y la concentracion de carbono en esta segun.
Gperma = Asnow ∗ P ∗ (1− σCH4) (2.19)
donde P es la concentracion de carbon atrapado, con un valor promedio segun la li-
teratura de 30[Kgm−2][8]. La razon σCH4 simboliza a la fraccion de carbono que se
almacena o se libera como metano, su valor es de 0.0031, es decir, un 0.31% del car-
bono es en forma de metano, mientras que un 99.69% lo es en CO2. Finalmente, Asnow
es el cambio temporal de area cubierta por hielo y es calculado segun
Asnow = −2πR
(
1−270
360
)
((1− sinFs,2)− (1− sinFs,1)) (2.20)
con R el radio terrestre, Fs,2 y Fs,1 son las lıneas del lımite polar actual y de la iteracion
anterior. La razon (270/360), hace referencia a la zona cubierta de oceano consistente
con la geometrıa del modelo. Para manter la referencia en el sentido de los flujos de
carbono, se introduce el signo menos en la ecuacion 2.20 para que cuando el hielo
avance, se almacene carbono (Asnow > 0) y cuando el hielo retrocede (Asnow < 0), se
libere carbono a la atmosfera.
Por ultimo, la ecuacion de intercambio en forma de metano tambien es modificada
y queda de la siguiente forma
UCH4 = LBMPT + LBMPDP + LBMPB + Asnow ∗ P ∗ σCH4 (2.21)
31
En esta ecuacion se ha introducido el termino de la contribucion del hielo/permafrost,
que tiene la misma forma de la ecuacion 2.19, solo se ha intercambiado la razon de
intercambio en forma de CO2 por la razon de intercambio en forma de CH4, es decir,
(1− σCH4) → σCH4.
32
Capıtulo 3
Evaluacion y Analisis
Es importante una vez terminado el desarrollo e implementacion de las mejoras
del nuevo modulo biosfera, realizar una evaluacion y validacion de estas, integradas
al modelo DCESS. Para ello en este capıtulo se comenzara realizando un contraste
entre los resultados obtenidos en simulaciones forzadas a un escenario de emisiones
antropogenicas A21 para el nuevo modulo y el original, describiendo el comportamiento
de la biomasa. Luego se simularan reproducciones de escenarios correspondientes a un
calentamiento y un enfriamiento, fijando en este ultimo las condiciones de temperatura
global y concentracion de CO2 similares a las del ultimo maximo glaciar (LGM).
1Proyeccion futura de emisiones antropogenicas de CO2. Para informacion mas detallada de este
escenario futuro, se recomienda consultar la referencia 12.
33
3.1. Evaluacion general: Modulo Original vs Nuevo
Modulo
Comparacion del nuevo modulo biosfera y el original a partir de los resultados de
una simulacion desde el periodo pre-industrial (1765) hasta el ano 5000, usando un
forzamiento d emisiones antropogenicas A2.
3.1.1. Evolucion de la temperatura y concentracion de CO2
Las concentraciones de CO2 (ver figura 3.1) varıan muy poco entre simulaciones
(curvas negra, roja y azul), excepto la simulacion con factor de fertilizacion de 0,37
(color rojo), la cual presenta un peak mayor, esto es debido a la menor capacidad de
la biosfera para capturar CO2, ya que al tener una fertilizacion menor, la cantidad
de vegetacion que crece y quita CO2 atmosferico tambien es menor (ver figura 3.4).
Ahora fijando la atencion en las curvas verde y azul correspondientes a simulaciones
con redistribucion de vegetacion y permafrost respectivamente, es posible identificar que
la curva verde presenta una mayor cantidad de CO2, esto es debido a que al integrar el
permafrost en el caso de un calentamiento, este adiciona un flujo de carbono adicional
por retroceso del hielo y descomposicion de biomasa enterrada.
34
2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
500
1000
1500
pCO
2 (pp
m)
Tiempo (años)
Figura 3.1: Curvas de concentracion de CO2 funcion del tiempo, desde 1765 (Pre-industrial). En rojo
se presenta los resultados del modulo biosfera original, usando un factor de fertilizacion de CO2 original
igual a 0, 37[9]. En negro los resultados del mismo modulo original pero con un factor de fertilizacion
igual a 0, 65 (valor adoptado recientamente; [16]. En azul los resultados del modulo con la distribu-
cion de vegetacion implementada. Finalmente, en verde los resultados del modulo con distribucion de
vegetacion y hielo/permafrost.
Respecto a la evolucion de temperatura, esta esta muy relacionada con la cantidad
de CO2 atmosferico, mayor cantidad de gas invernadero mayor temperatura, y las curvas
son consistentes con toda la descripcion anterior referente a las concentraciones de CO2.
35
2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
0
1
2
3
4
5
delT
atm (
o C)
Tiempo (años)
Figura 3.2: Curvas evolucion temporal de la desviacion de temperatura global atmosferica, desde 1765
(Pre-industrial) y forzado antropogenico A2. En rojo se presenta los resultados del modulo biosfera
original, usando un factor de fertilizacion de CO2 igual a 0, 65. En negro los resultados del mismo
modulo original pero con un factor de fertilizacion igual a 0, 37. En azul los resultados del modulo
con la distribucion de vegetacion implementada. Finalmente, en verde los resultados del modulo con
distribucion de vegetacion y hielo/permafrost. Notese que las curvas negro, azul y verde son muy
semejantes y no se nota la diferencias en la figura.
3.1.2. Evolucion de los bordes zonales
Visualizaremos el movimiento de los bordes zonales bajo el aumento de la tempera-
tura (ver figura 3.2). De acuerdo a lo esperado, los bordes van siendo desplazados hacia
el polo, alcanzando su maximo desplazamiento de la mano con la maximo desviacion
de temperatura (ano 2200), luego los bordes comienzan a retroceder lentamente junto
con la temperatura (ver figura 3.3). Esto es bastante consistente con que la vegetacion
aumenta hacia los polos cuando las condiciones de temperatura mejoran. Tambien es
36
importante destacar que existe una disminucion de los desiertos y pastizales. Una evo-
lucion del area disponible para cada vegetacion se visualiza en la misma figura 3.3, en
donde tambien se aprecia que el bosque tropical experimenta el mayor aumento de area
y el bosque extra tropical presenta un pequeno aumento2.
2000 3000 4000 50000
1
2
3x 1013
Tiempo (años)
Are
a (m
2 )
2000 3000 4000 50000
20
40
60
80
Tiempo (años)La
titud
Figura 3.3: Seguimiento temporal de los bordes latitudinales y area disponible para vegetacion .
Izquierda: En negro se muestra el borde entre Bosque Extratropical-Permafrost (snow line). En azul se
muestra el borde entre Desiertos-Pastizales y Bosque Extra tropical. En rojo el borde correspondiente
a Bosque Tropical y Desierto-Pastizales. Derecha: Azul, superficie ocupada por los bosques tropicales.
Negro, superficie ocupada por los bosques Extra-Tropicales. Rojo, superficie ocupada por los Desiertos-
Pastizales.
3.1.3. Evolucion de la Biomasa Terrestre
A continuacion veremos las diferencias entre la biomasa almacenada para las simu-
laciones de cada modelo. Se contrastan 4 simulaciones diferentes, dos para el modelo
original variando el factor de fertilizacion por CO2 y otras dos curvas para el modelo con
2Iguales cambios de latitud presentan un mayor cambio de area si la latitud cambia cerca del ecuador
y menor si es mas alejado del ecuador. debido a la geometrıa esferica.
37
solo la distribucion de vegetacion implementada y con esta distribucion mas el perma-
frost. La curva negra, correspondiente a fertilizacion de 0, 37 presenta menor biomasa
frente a la roja con fertilizacion de 0, 65, esto es consistente ya que un factor de fertili-
zacion mayor favorece un mayor crecimiento de vegetacion. Las curvas referentes a los
modelos modificados (verde y azul), difieren levemente, presentando la curva verde, con
permafrost integrado una mayor cantidad de biomasa frente a la que solo contiene la
redistribucion de vegetacion (azul), es debido a que el permafrost junto con un calenta-
miento adicionan un flujo de carbono extra a la atmosfera, y una mayor concentracion
de carbono aumenta la vegetacion y por tanto la biomasa almacenada.
2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
LB (
GtC
)
Tiempo (años)
Figura 3.4: Curvas de Biomasa total en funcion del tiempo, desde 1765 (Pre-industrial). En rojo se
presenta los resultados del modulo biosfera original, usando un factor de fertilizacion de CO2 igual
a 0,65. En negro los resultados del mismo modulo original pero con un factor de fertilizacion igual
a 0, 37 (valor adoptado finalmente). En azul los resultados del modulo con la distribucion de vegeta-
cion implementada. Finalmente, en verde los resultados del modulo con distribucion de vegetacion y
hielo/permafrost.
38
Los resultados de la biomasa dividida en las tres zonas para el modelo nuevo, muestran
que las velocidades de crecimiento de las distintas vegetacion son diferentes (ver figura
3.5). En primer lugar la vegetacion tropical presenta una evolucion temporal que va de
la mano con la evolucion de la temperatura y CO2, es decir, la vegetacion tropical sigue
los cambios climaticos casi sin desfase de tiempo, esto se ve de manera mas evidente si
observamos los maximos de temperatura y CO2 (ano 2155)y comparamos con el maximo
de vegetacion tropical (ano 2205). Esto es debido a que la biomasa de la vegetacion
tropical se encuentra mayoritariamente en la superficie, y es de rapido crecimiento, esto
le permite ir casi a la par con los cambios climaticos. Caso contrario es el de la vegetacion
extra tropical, esta vegetacion contiene la mayor cantidad de biomasa bajo tierra (suelo
y litter), reservorios de mas lenta variacion frente a la temperatura, esto sumado a que
la vegetacion de la superficie es de lento crecimiento hace que la evolucion temporal de
la biomasa vaya bastante mas desfasada de los cambios climaticos, alcanzando el pick
470 anos despues. Caso intermedio es el de la vegetacion de desierto y pastizales.
2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000
500
1000
1500
LB (
GtC
)
Tiempo (años)
39
Figura 3.5: Biomasa total (hojas, madera, litter y suelo) en funcion del tiempo para cada zona en la
biosfera. Azul: Bosque Extra Tropical. Negro: Desiertos-Pastizales. Rojo: Bosque Tropical.
3.2. Calentamiento
Ahora el modelo nuevo con la redistribucion de vegetacion y permafrost integrados,
es forzado a una concentracion de CO2 atmosferico, pCO2 = 1000ppm y se dejara
evolucionar naturalmente a la temperatura hasta que alcance el maximo (dTem =
5,2◦C) predicho por el modelo DCESS para un escenario de emsiones A2 [10] y se
forzara a mantener ese maximo. Se realizara el calculo por 2 mil anos hasta alcanzar
el estado estacionario. Analizaremos el comportamiento de la biomasa y compararemos
con la literatura [4].
Los resultados para dicha simulacion se presentan en la figura 3.6, la biomasa
total alcanza un estado estacionario a partir del ano 3500, llegando a un valor de
3400[GtC], esto simboliza un aumento en la biomasa respecto de los valores preindus-
triales (2200[GtC]) en 1200GtC, es decir, un 54, 4%. Segun [4], la biomasa total para
estas mismas condiciones de clima caliente aumenta en 1300[GtC] respecto del valor
estandar fijada en 2700[GtC], es decir, presentan un aumento del 49, 1%.
En contraste podemos mirar los resultados en el estado estacionario del modelo
original (ver figura 3.6) para las mismas condiciones de clima caliente. El incremento
de biomasa en este caso es de 350[GtC] que simboliza un crecimiento de tan solo un
15% muy por debajo del valor de referencia en la literatura.
40
0 0.5 1 1.5 22000
3000LB
(G
tC)
Tiempo ( ka)
Figura 3.6: Biomasa total (hojas, madera, litter y suelo) en funcion del tiempo hasta alcanzar el
estado estacionario. Negro continuo: Resultados del modelo con la nueva biosfera implementada. Negro
discontinuo: resultados para el modelo original.
3.3. Enfriamiento: Ultimo Maximo Glaciar, LGM
Evidencia encontrada en nucleos de hielo indican que las concentraciones de dioxido
de carbono atmosferico fueron alrededor de 190 ppm durante el ultimo maximo glaciar
(LGM, 18000 anos atras) y la temperatura media global descendio en 3, 5◦C respecto de
la temperatura estandar [1]. Se corrieron simulaciones hasta llegar al estado estacionario
usando las condiciones de enfriamiento, tanto en el modelo original como en la nueva
version. Analizaremos el comportamiento de la biomasa y compararemos resultados
basandonos en la literatura.
41
0 0.5 1 1.5 2
2000LB
(G
tC)
Tiempo (ka)
Figura 3.7: Biomasa total (hojas, madera, litter y suelo), para simulacion bajo un escenario de
enfriamiento. La simulacion fue realizada hasta alcanzar el estado estacionario. Negro continuo: Nue-
vabiosfera implementada. Negro discontinuo: biosfera original.
La literatura [4] nos dice que el aumento de biomasa LGM hasta la actualidad es de
un 24, 3% mientras nuestro modelo con la nueva biosfera implementada presenta un
aumento del 22, 2%. Por otra parte el modelo original presenta solo un aumento del
11%, presentando demasiada biomasa para un clima frıo (ver figura 3.7). Otro aspecto
interesante es comparar el cambio de la biomasa de los reservorios. Se obtienen aumentos
para Hojas y Madera del 41%, Litter del 26% y para Suelo del 17%, mientras que en
nuestro modelo los crecimientos son 38, 5% para Hojas y Madera, 16, 5% para Litter y
un 16, 4% para Suelo.
Para finalizar, presentamos un resumen de la intercomparacion de resultados en la
figura 3.8
42
Warming Cooling0
20
40
60LB
Cha
nge
/ %
DCESS nueva biosferaLPJ, Gerber et al., 2004DCESS vieja biosfera
24.322.2
11.0
49.154.4
15.0
(a) Intercomparacion Calentamiento/Enfriamiento LGM
Leaf+Wood Litter Soil0
20
40
60
LB C
hang
e / %
DCESS new biosphereLPJ, Gerber et al., 2004DCESS old biosphere41.038.5
32.8
16.5
26.0
4.6 4.5
17.016.4
(b) Intercomparacion de Reservorios LGM
Figura 3.8: (a) Intercomparacion del incremento relativo porcentual de biomasa respecto del valor
pre-industrial, entre resultados del modelo original (antigua biosfera), el nuevo modelo (nueva biosfera)
y LPJ-Gerber et al., 2004 [4] tanto para el calentamiento como enfriamiento. (b)Intercomparacion de
incrementos relativos porcentuales de biomasa entre reservorios respecto del valor pre-industrial, entre
resultados del modelo original, modelo nuevo y LPJ-Gerber et al., 2004 [4] para un enfriamiento.
43
Capıtulo 4
Conclusiones
Con los resultados de las simulaciones realizadas tanto con el nuevo modelo como
el original, podemos concluir lo siguiente: se comprobo que realizando una particion
latitudinal de la biosfera, en tres zonas con vegetacion dominada por Bosque Tropical,
Desierto-Pastizales y Bosque Extra Tropical, el modulo biosfera terrestre se vuelve mas
realıstico, ya que el comportamiento de la biomasa tanto en el caso de un calentamiento
como en el de un enfriamiento (LGM) mejoran, llegando a resultados bastante acorde
con la literatura [4]. Comparando directamente con [4], para un calentamiento, donde
obtiene un aumento de biomasa total de 49, 1% se concluye que el nuevo manejo de la
vegetacion hace que la biomasa total en el nuevo modelo aumente un 54, 4%, bastante
mas cercano al valor citado que el antiguo modelo, que solo aumentaba un 15%. Para el
caso de un enfriamiento (LGM),[4], obtiene un cambio de biomasa de 24, 3%, mientras
el modelo nuevo da una diferencia de 22, 2%, mas en acuerdo con el valor citado [4]
que el antiguo modelo, que daba como resultados una diferencia 11%.
El cambio en la biomasa, debido a la redistribucion de vegetacion y el permafrost,
hace que el nuevo modelo de la biosfera capte bastante carbono antropogenico, dejando
44
mas bajo el pCO2, amortiguando el calentamiento global comparado con el modelo
original y sus ultimas aplicaciones (con factor de fertilizacion 0,37), ver figura 4.1.
Figura 4.1: A: Concentracion de CO2 para el modelo con la nueva biosfera (verde) y con la biosfera
original con fertilizacion 0,37 (rojo). B: Desviacion de temperatura global, para el modelo con la nueva
biosfera (verde) y con la biosfera original con fertilizacion 0,37 (rojo).
Analogamente en el caso de enfriamiento, es importante notar que el permafrost al
aumentar el hielo atrapa biomasa, aislandola de la atmosfera, convirtiendose en un
sumidero de CO2 y CH4 y reduciendo la cantidad de estos gases en la atmosfera, que
favorece la reduccion de la temperatura potenciando un enfriamiento.
Por ultimo es importante decir que el modelo DCESS es un modelo de muy baja
complejidad y resolucion. Intentar simular la redistribucion de la vegetacion en la biosfe-
ra terrestre considerando pocas variables (en nuestro caso la desviacion de Temperatura
Global) e integrarla al modelo general, manteniendo la filosofıa de baja complejidad es
un problema no trivial. Por lo tanto es de gran importancia y el mayor valor del trabajo
realizado en esta tesis, el haber logrado mejorar y obtener simulaciones mas realısticas
desde el punto de vista de la biomasa terrestre manteniendo la simplicidad del modelo.
45
Apendice A
Codigo Modulo Biosfera Nuevo
function [al]=LandExc Rtest3(AT,LB,fsnowold)
% Calculates Land Biomass changes and land-sea gas exchange s of CO 2 and CH 4
% Input :
% AT - Atmospheric tracers, see ODE R.m for the data structure.
% LB - Land Biomasses
%
% Output:
% al(1) - increment change in leafy biomass 12C (GtC/s). Trop ical
% al(2) - increment change in woody biomass 12C (GtC/s). Trop ical
% al(3) - increment change in litter biomass 12C (GtC/s). Tro pical
% al(4) - increment change in soil biomass 12C (GtC/s). Tropi cal
% al(5) - increment change in leafy biomass 12C (GtC/s). Dese rt,
% Savanna and Grassland
% al(6) - increment change in woody biomass 12C (GtC/s). Dese rt,
% Savanna and Grassland
46
% al(7) - increment change in litter biomass 12C (GtC/s). Des ert,
% Savanna and Grassland
% al(8) - increment change in soil biomass 12C (GtC/s). Deser t,
% Savanna and Grassland
% al(9) - increment change in leafy biomass 12C (GtC/s).
% E-Tropical
% al(10) - increment change in woody biomass 12C (GtC/s).
% E-Tropical
% al(11) - increment change in litter biomass 12C (GtC/s).
% E-Tropical
% al(12) - increment change in soil biomass 12C (GtC/s).
% E-Tropical
% al(13) - land air exchange of DIC [mol/s]
% al(14) - land air exchange of CH4-C [mol/s]
% al(15) - N20 production [mol/s]
% Activate global parameters
global sy fdiv Q10 CO2fer mgt rVa Q10met pCH4int pN2Oint pCO2int
global mdts Tsnow fsnow i divi fgrass i ftrop i surfdivi
global grasstem i troptem i botem i perma fracCH4 olf aH
%load latitude %cargamos los datos interpolados a partir de Gerber et al.
%-------------
% four box Land biosphere model derived from Siegenthaler an d Oeschger
%(1987), includes CO2 fertilisation
% effect, and bacterial respiration in litter and soil as a fu nctions of
% global mean temperature. Biomasses refer to one hemispher e.
% The CO2 fertilization factor, CO2fer, taken from a fit to th e results of
% Friedlingstein et al (2006), Journal of Climate
47
pCO2=AT(4,1);
% Polynomial constants
p1 = -1.803e-05;p2 = -0.0005809;p3 = -0.005168;p4 = 0.0497; p5 = 1.092;p6 = 11.28;
p7 = 1.152e-05;p8 = -0.0001785;p9 = -0.004557;p10 = 0.04156 ;p11 = 1.017;p12 = 37.77;
% definimos variables para distintos tipos de vegetacion.
%----
%-- Tropical Forest ---------------------------------- ---------------------
Gro T = 15; %Pre-Industrial(PI) leafy biomass on tropical forest, GtC
Woo T = 135; %PI woody biomass on tropical forest, GtC
Lio T = 8; %PI litter biomass on tropical forest, GtC
Slo T = 100; %PI soil biomass on tropical forest, GtC
NPPL To = 12.5; %10; %PI primary production on tropical forest, GtC/yr
%-- Grassland, savanna, desert ------------------------ --------------------
Gro G = 25; %Pre-Industrial(PI) leafy biomas s on Grassland, GtC
Woo G = 25; %PI woody biomass on Grassland, GtC
Lio G = 20; %PI litter biomass on Grassland, GtC
Slo G = 250; %PI soil biomass on Grassland, GtC
NPPL Go = 10; %PI primary production on Grassland, GtC/yr
%-- Boreal Forest
Gro B = 10; %Pre-Industrial(PI) leafy biomass on Grassland, GtC
48
Woo B = 90; %PI woody biomass on Grassland, GtC
Lio B = 32; %PI litter biomass on Grassland, GtC
Slo B = 400; %PI soil biomass on Grassland, GtC
NPPL Bo = 7.5; %PI primary production on boreal forest, GtC/yr
%---------------------
LBMPo = pCH4int/(rVa * mgt* mdts); %PI land biosphere methane production,
%GtC/yr minus 1/2"PA",
% anthropogenic input
N2OPo = pN2Oint/(rVa * 150* sy); %PI N2O production, mol/s
%---------------------
CTa(1,:) = [ 1 .5 * (sin(fdiv)ˆ2-1) ];
CTa(2,:) = [ 1 .5 * (sin(fdiv)-sin(fdiv)ˆ3)/(1-sin(fdiv)) ];
RTa = [ AT(1,1) AT(1,2)]';
PTa = CTa\RTa;
%---------------------
Ta = PTa(1) + PTa(2) * .5 * ( 3 * sin(divi).ˆ2 -1 ); %Temperature Profile
%---------------------
%---------------------
deTglob = (AT(1,1) * sin(fdiv)+AT(1,2) * (1-sin(fdiv)))-15; %Global temperature
%deviation
%---------------------
%Calculate vegetation boundaries
%---------------------
y1= p1 * deTglobˆ5 + p2 * deTglobˆ4 + p3 * deTglobˆ3 + ...
49
p4* deTglobˆ2 + p5 * deTglob + p6; %Characteristic polynomial
%Tropical-Desert edge
y2= p7 * deTglobˆ5 + p8 * deTglobˆ4 + p9 * deTglobˆ3 + ...
p10* deTglobˆ2 + p11 * deTglob + p12; %Characteristic polynomial
%Desert-E.tropical edge
ftrop = degtorad(y1); %Latitude line of Tropical Forest, radian
fgrass = degtorad(y2); %Latitude line of grassland, desert, savanna,radian
fsnow = min(pi/2-.001 , asin((2/(3 * PTa(2)) * ...
(Tsnow-PTa(1)+PTa(2)/2))ˆ(.5)) ); %Snowline, E.tropical-Permafrost edge, radian
ftrop2 = y1; %Latitude line of Tropical Forest degree
fgrass2 = y2; %Latitude line of grassland, desert, savanna degree
fsnow2 = radtodeg(min(pi/2-.001 , asin((2/(3 * PTa(2)) * ...
(Tsnow-PTa(1)+PTa(2)/2))ˆ(.5)) )); %Snowline, E.tropical-Permafrost edge, degree
%--- Area changes in different areas ------------------
facTrop = sin(ftrop)/sin(ftrop i); %Factor change area, tropical
facGrass = (sin(fgrass)-sin(ftrop))/ ...
(sin(fgrass i)-sin(ftrop i)); %Factor change area, desert,grassland
facBo = (sin(fsnow)-sin(fgrass))/ ...
(sin(fsnow i)-sin(fgrass i)); %Factor change area, E.Tropical
facSnow = -(1-olf) * aH* ((1-sin(fsnow))-(1-sin(fsnowold)));
%[mˆ2] Change of area covered with snow in meters.
%If facSnow <0 - > covered area decreased.
%If facSnow >0 - > covered area advanced.
%The negative sign is consistent with the
%direction of flows
50
%--- Mean zonal temperature ----
tropTem = sum(surfdivi(1,1:ftrop2). * Ta(1,1:ftrop2))/ ...
sum(surfdivi(1,1:ftrop2)); % Mean atmospheric temperature Tropical
grassTem = sum(surfdivi(1,ftrop2:fgrass2). * Ta(1,ftrop2:fgrass2))/ ...
sum(surfdivi(1,ftrop2:fgrass2)); % Mean atmospheric temperature Desert
boTem = sum(surfdivi(1,fgrass2:fsnow2). * Ta(1,fgrass2:fsnow2))/ ...
sum(surfdivi(1,fgrass2:fsnow2)); % Mean atmospheric temperature E-Tropical
ATem = AT(1,1) * sin(fdiv)+AT(1,2) * (1-sin(fdiv)); %Mean atmospheric temperature
%--- Tropical
AGr T = (35/60) * NPPL To/Gro T; %decay rate for leafy biomass, GtC/yr
AWoT = (25/60) * NPPL To/Woo T; %decay rate for woody biomass, GtC/yr
ALi T = ((55/60) * NPPL To/Lio T) * ...
Q10ˆ((tropTem-troptem i)/10); %decay rate for litter biomass
%with Q10 T dependence, GtC/yr
ASl T = ((15/60) * NPPL To-(LBMPo * Slo T/(Slo T+Slo G+Slo B)))/Slo T* ...
Q10ˆ((tropTem-troptem i)/10); %decay rate for soil biomass
%with Q10 T dependence, GtC/
%--- Desert
AGr G = (35/60) * NPPL Go/Gro G; %decay rate for leafy biomass, GtC/yr
AWoG = (25/60) * NPPL Go/Woo G; %decay rate for woody biomass, GtC/yr
ALi G = ((55/60) * NPPL Go/Lio G)* ...
Q10ˆ((grassTem-grasstem i)/10); %decay rate for litter biomass
%with Q10 T dependence, GtC/yr
ASl G = ((15/60) * NPPL Go-(LBMPo* Slo G/(Slo T+Slo G+Slo B)))/Slo G* ...
Q10ˆ((grassTem-grasstem i)/10); %decay rate for soil biomass
%with Q10 T dependence, GtC/yr
51
%--- E-Tropical
AGr B = (35/60) * NPPL Bo/Gro B; %decay rate for leafy biomass, GtC/yr
AWoB = (25/60) * NPPL Bo/Woo B; %decay rate for woody biomass, GtC/yr
ALi B = ((55/60) * NPPL Bo/Lio B) * ...
Q10ˆ((boTem-botem i)/10); %decay rate for litter biomass with
%Q10 T dependence, GtC/yr
ASl B = ((15/60) * NPPL Bo-(LBMPo * Slo B/(Slo T+Slo G+Slo B)))/Slo B* ...
Q10ˆ((boTem-botem i)/10); %decay rate for soil biomass with
%Q10 T dependence, GtC/yr
%---------------------
NPPL T = NPPL To* facTrop ...
* (1+CO2fer * log(pCO2/pCO2int)); %Net Primary Production Tropical
NPPL G = NPPLGo* facGrass ...
* (1+CO2fer * log(pCO2/pCO2int)); %Net Primary Production Desert
NPPL B = NPPL Bo* facBo ...
* (1+CO2fer * log(pCO2/pCO2int)); %Net Primary Production E-Tropical
LBMPT = LBMPo* LB(4,1)/ ...
(Slo T+Slo G+Slo B) * Q10metˆ((tropTem-troptem i)/10); % Land biosphere
%methane production with Q10 T dependence Tropical
LBMPG = LBMPo* LB(8,1)/ ...
(Slo T+Slo G+Slo B) * Q10metˆ((grassTem-grasstem i)/10); % Land biosphere
%methane production with Q10 T dependence Desert
LBMPB = LBMPo* LB(12,1)/ ...
52
(Slo T+Slo G+Slo B) * Q10metˆ((boTem-botem i)/10); % Land biosphere methane
%production with Q10 T dependence E-Tropical
N2OPT = N2OPo* LB(4,1)/ ...
(Slo T+Slo G+Slo B) * Q10ˆ((tropTem-troptem i)/10); % N2O production Tropical
N2OPG = N2OPo* LB(8,1)/ ...
(Slo T+Slo G+Slo B) * Q10ˆ((grassTem-grasstem i)/10); % N2O production Desert
N2OPB = N2OPo* LB(12,1)/ ...
(Slo T+Slo G+Slo B) * Q10ˆ((boTem-botem i)/10); % N2O production E-Tropical
% Tropical
al(1) = ((35/60) * NPPL T - AGr T* LB(1,1))/sy; % 12C rate of change for
%leafy biomass, GtC/s
al(2) = ((25/60) * NPPL T - AWo T* LB(2,1))/sy; % 12C rate of change for wood, Gt/s
al(3) = (AGr T* LB(1,1) + ...
(20/25) * AWoT* LB(2,1) - ALi T* LB(3,1))/sy; % 12C rate of change for
%litter, GtC/s
al(4) = ((10/55) * ALi T* LB(3,1) + (5/25) * AWoT* LB(2,1) ...
- ASl T* LB(4,1)-LBMP T)/sy; % 12C rate of change for soil, GtC/s
% Desert
al(5) = ((35/60) * NPPL G - AGr G* LB(5,1))/sy; % 12C rate of change for
%leafy biomass, GtC/s
al(6) = ((25/60) * NPPL G - AWo G* LB(6,1))/sy; % 12C rate of change for
%wood, Gt/s
al(7) = (AGr G* LB(5,1) + ...
(20/25) * AWoG* LB(6,1) - ALi G* LB(7,1))/sy; % 12C rate of change
%for litter, GtC/s
al(8) = ((10/55) * ALi G* LB(7,1) + (5/25) * AWoG* LB(6,1) ...
- ASl G* LB(8,1)-LBMP G)/sy; % 12C rate of change for soil, GtC/s
53
% E-Tropical
al(9) = ((35/60) * NPPL B - AGr B* LB(9,1))/sy; %12C rate of change for
%leafy biomass, GtC/s
al(10) = ((25/60) * NPPL B - AWo B* LB(10,1))/sy; % 12C rate of change for
%wood, Gt/s
al(11) = (AGr B* LB(9,1) + ...
(20/25) * AWoB* LB(10,1) - ALi B* LB(11,1))/sy; % 12C rate of change
%for litter, GtC/s
al(12) = ((10/55) * ALi B* LB(11,1) + (5/25) * AWoB* LB(10,1) ...
- ASl B* LB(12,1)-LBMP B)/sy; % 12C rate of change for soil, GtC/s
al(13) = (-NPPL T + (45/55) * ALi T* LB(3,1) + ASl T* LB(4,1) + ...
-NPPL G + (45/55) * ALi G* LB(7,1) + ASl G* LB(8,1) + ...
-NPPL B + (45/55) * ALi B* LB(11,1) + ASl B* LB(12,1)+ ...
facSnow * perma * (1-fracCH4) * 10e-15) * mgt/sy; % pCO2-12C sink/source to
%atmosphere from changes in LB, mol/s.
al(14) = (LBMP T+LBMPG+LBMPB+...
facSnow * perma * fracCH4 * 10e-15) * mgt/sy; %CH4-12C source to atmosphere
al(15) = N2OP T + N2OPG + N2OPB; %N2O source to atmosphere
return
54
Apendice B
Modelo LPJ-DGVM
El modelo LPJ esta disenado para simular la composicion y distribucion de la vege-
tacion, ası como las acciones y los flujos de intercambio tierra-atmosfera de carbono y
agua, tanto para los ecosistemas naturales como los agrıcolas. Usando una combinacion
de las relaciones fisiologicas de las plantas, las funciones generalizadas empıricamente y
parametros de rasgos de la planta, que simulan los procesos tales como la fotosıntesis,
crecimiento de las plantas, las perdidas por mantenimiento y regeneracion, perturba-
cion por fuego, humedad del suelo, el escurrimiento, evapotranspiracion, irrigacion y
estructura de la vegetacion.
LPJ es actualmente uno de los DGVM que tiene al uso dinamico de la tierra ple-
namente incorporado a escala global y tambien simula la produccion de madera y
plantaciones herbaceas de rotacion bioenergeticas corta.
55
Figura B.1: Cada celda de la cuadrıcula en las simulaciones LPJ puede constar de tipos de uso de
la tierra individual o un mosaico de fracciones variables de diferentes tierras agrıcolas y la vegetacion
natural.
56
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